运算放大器的基本知识

在本教程中，我们将学习运算放大器的一般情况，它的特性，一些应用和一些重要的运算放大器的基础知识。

运算放大器或简单的OP-AMP是最常用和广泛使用的电子元件之一。它们是模拟电路中的主座块，用于广泛的消费电子，工业设备和科学设备。

介绍

通常称为OP-AMP的运算放大器是两输入单输出差分电压放大器，其特征在于高增益，高输入阻抗和低输出阻抗。

运算放大器被称为，因为它具有模拟计算机的起源，主要用于执行数学操作。

根据其反馈电路和偏置，可以将OP-AMP添加，减去，乘以，划分，否定，甚至甚至执行差分化和集成等微积分操作。

如今，OP-AMPS是电子电路中非常受欢迎的构建块。OP-AMPS用于各种应用，如AC和DC信号放大，滤波器，振荡器，电压调节器，比较器和大多数消费和工业设备。

运放对温度变化或制造变化的依赖性很小，这使它们成为电子电路中的理想构件。

运算放大器的基本电路如图所示。运放具有差分放大器输入级和发射极跟随器输出级。实际的运放电路要比上面所示的基本运放电路复杂得多。

晶体管Q1和Q2形成差分放大器，其中输入电压的差值作用于Q1和Q2的基端。晶体管Q3作为一个发射极跟随器，并提供低输出阻抗。

基本OP-AMP电路V的输出_出去被给出，

V_出去= V._CC-v._{钢筋混凝土}- - - - - - V_BE3

VOUT = VCC - IC2RC - VBE

在哪里，五_{钢筋混凝土}电阻R上的电压是多少_C和V._BE3为晶体管Q3的基极-发射极电压。

假设晶体管Q1和Q2是匹配的晶体管I.，它们具有相等的V._是水平和相等的当前收益。如果两个晶体管基极都接地，则发射极电流I_E1.和我_E2.是平等的，我都是_E1.和我_E2.流过公共电阻RE。发射极限由关系给出，

我_E1.+ I._E2.= V._再保险/ R._E

如果Q1和Q2底座都连接到地面，

0 - V._是-v._再保险+ V._EE.= 0.

即V._再保险= V._EE.- - - - - - V_是

因此,我_E1.+ I._E2.= (V_EE.- - - - - - V_是）/ R._E

当对非反相输入端施加正电压时，Q1基极被输入电压拉起，其发射极端跟随输入信号。由于Q1和Q2发射器连接在一起，Q2发射器也被非反相端正输入拉起。

Q2的底部接地，因此其发射器处的正电压导致其基极发射极电压V的降低_BE2。减少v_BE2导致发射器电流i_E2.减少，因此I_C2也减少了。

可以注意到，引脚＃3处的正输入给出了正输出，因此名称非反相输入端子。

OP-AMP符号

注意:

• 如果一个输入信号被应用到与地连接的另一个输入端子的任意一个输入端子上，这个操作称为“单端”。
• 在单端操作中应用单个输入，由于共用发射器连接而驱动晶体管。因此，所获得的输出由收集器驱动。
• 如果将两个输入信号应用于两个输入端子，则操作被称为“双端”。
• 在双端操作中，应用于两个输入端子的输入的差值驱动晶体管，并且所获得的输出由收集器驱动。
• 如果对两个输入应用相同的输入，则操作称为“共模”。在共模操作中，两个输入端的公共输入信号导致每个收集器处的相反信号。
• 这些信号被取消，导致输出信号为零。实际上，相反的信号并不完全抵消彼此和一个小信号的结果输出。

差分放大器使用晶体管

所有OP-AMPS都包括在其输入级的差分放大器。如果将两个不同的电压信号施加到OP-AMP的两个输入端子，则产生的输出信号与两个信号之间的“差”成比例。

因此，差分放大器放大了相对于公共参考测量的两个电压之间的差。OP-AMP的差分放大器级如下所示。

两个晶体管Q1和Q2具有相同的特性。两个输入信号VI1和VI2分别应用于Q1和Q2的基极端子。请注意，差分放大器具有两个输出端子V._O1.和V._O2。

理想情况下，当两个输入相等时输出电压为零。当Vi1大于Vi2时，输出端子V_O1.将是积极的和v_O2将是负的。当V_I2大于v_I1，输出端V_O2对V是正的_O1.。

输出V._O是（谁）给的，

V_O= A._D（V._I1- - - - - - V_I2)

一个_D就是微分增益。

差分放大器可以有四种不同的配置方式:

• 双输入平衡输出差分放大器。
• 双输入不平衡输出差分放大器。
• 单输入平衡输出差分放大器。
• 单输入不平衡输出差分放大器。

共同模式增益

当相同的输入电压信号施加到输入端子时，操作被称为“共模”操作。共模信号通常是干扰或静态信号。

共模增益是由于共模输入除以共模输入电压而导致的输出电压变化。

虽然差分放大器提供施加到两个输入的差电压的大放大器，但它抵消共模输入信号I.。它拒绝放大共模信号。

差分放大器对共模信号的抑制能力用其共模抑制比(CMRR)来表示。

CMRR的较高值表示其更好的拒绝共模信号的能力。因此，诸如噪声或干扰拾取的任何不期望的信号将与输入端子相同，并且该信号在输出上的效果将是零。

CMRR是差分增益与差分放大器的共模增益的比率，即

CMRR = A._D/一个_C

在哪里，答：_D= V._O/（V._I1- - - - - - V_I2)

A._C= V._O（cm）/ V._我(厘米)

理想的OP-AMP的等效电路

上面显示了理想的OP-AMP的等效电路。输入电压V_DIFF是差分电压（v₁-v.₂)。Z_在输入阻抗和Z是多少_出去是输出阻抗。

增益参数A称为开环增益。如果一个运放没有任何从输出到任何输入的反馈，它被称为在开环配置中工作。

理想的运放具有无限的开环增益、无限的输入阻抗、零的输出阻抗、无限的电压摆幅、无限的带宽、无限的转摆率和零的输入偏置电压。

运算放大器特性

输入阻抗(Z_在)

理想的OP-AMP具有无限的输入阻抗，以防止电流从供应流入OP-AMP电路。但是，当OP-AMP用于线性应用时，外部提供某种形式的负反馈。由于这种负面反馈，输入阻抗变为

Z_在=（1 + a_OLβ）Z._一世

在哪里，z._在没有反馈的输入阻抗

一个_OL开环增益是多少

β是反馈因子(1为电压跟随器)

连接到运放输入端的信号源的阻抗必须比放大器的输入阻抗小得多，以避免信号损失。

输出阻抗(Zout)

理想的OP-AMP具有零输出阻抗。这意味着输出电压与输出电流无关。因此，理想的OP-AMP可以充当具有零内阻的完美内部电压源，因此可以将最大电流驱动到负载。

实际上，运放的输出阻抗受负反馈的影响，其表达式为:

zout = zo /（1 + aolβ）

在那里,

ZO是OP-AMP而无反馈的输出阻抗

AOL是开环增益

β是反馈因子

连接在运算放大器的输出端的负载阻抗必须大于电路输出阻抗，以避免随着ZOUT的电压降的任何显着损耗输出。

开环增益（AVO）

运算放大器的开环增益定义为输出端对输入端没有反馈时运算放大器的增益。对于理想的运放，理论上增益是无穷大的，但实际值在20,000到200,000之间。

带宽（BW）

一个理想的运放可以放大任何频率信号从直流到最高交流频率，因此它有无限的频率响应。因此，理想运放的带宽应该是无穷大的。

在实际电路中，运放的带宽受到增益带宽积(GB)的限制。

CMRR（共模抑制比）

CMRR被定义为OP-AMP拒绝共模输入信号的能力。CMRR是OP-AMP的重要衡量标准。理想的Op-amp将具有无限CMRR。在实用电路中，CMRR给出

CMRR = 20 log10（AD / | AC |）DB

在其中，广告是差分增益，交流是OP-AMP的共同模式增益。

偏移电压（V_IO.)

输入偏移电压限定输入端子之间所需的差分直流电压，以使输出零伏相对于地。理想的OP-AMP将具有零偏移电压，而实用的OP-AMPS显示一些小偏移量。

转换速率

压摆率被定义为每单位时间的输出电压的最大变化，并表示为每秒伏。

一个理想的运放将有无限的转换速率。在实际的运放中，转换速率本质上受到运放内部驱动电流的限制，同时也受到用于补偿高频振荡的内部电容的限制。

OP-AMP特征表

运算放大器的频率响应

开环增益a_OL所有频率都不是恒定的。真正的Op-AMPS具有频率相关的开环增益。实际OP-AMP的频率响应曲线如下所示。

从上面的曲线来看，我们可以注意到，增益和频率的乘积在沿曲线的任何点处是恒定的。这种常数被称为增益带宽产品（GB）。而且，通过单位增益（0 dB）频率确定沿着曲线的任何点处的放大器的增益。

运算放大器的带宽

运算放大器的带宽定义为运算放大器的电压增益在其最大输出值的-3dB(最大值为0dB)以上的频率范围。

在上图中，AV（MAX）的-3DB示出为37dB。37dB线与诸多曲线相交，以超过10kHz频率。如果放大器的GB产品是已知的，则可以更准确地计算该频率。

可以注意到，随着输入信号的频率增加，开环增益减小。频率以对数绘制绘制，并且随着对数方式的频率增加而线性降低。

众所周知，运算放大器的收益率为每十年20 dB。

运算放大器的应用

• 操作放大器是电子电路中的流行构建块，并且在大多数消费和工业电子系统中找到应用。
• OP-AMPS可以配置为用作不同类型的信号放大器，如反相，非反相，差分，求和等，以及它用于执行数学操作，如添加，减法，乘法，划分以及分化和集成。
• 运算放大器可用于有源滤波器的构造，提供高通、低通、带通、带阻和延迟函数。
• 运放的高输入阻抗和增益允许直接计算元素值，允许精确实现任何想要的滤波器拓扑，几乎不关心滤波器级或后续级的加载影响。
• 如果必要的话，运算放大器可以充当比较器。输入电压之间最小的差异将被大大放大。
• 运放用于振荡器的构造，如Wein桥振荡器。运算放大器也用于非线性电路，如对数和反对数放大器。
• OP-AMPS将应用作为电压源，电流源和电流汇，以及DC和AC电压表。OP-AMPS也用于信号处理电路，例如精密整流器，夹紧电路和采样和保持电路。

运放的总结

• 运算放大器是一个非常高的增益直流差分放大器。大多数OP-AMP需要正极和负电源来运行。
• 运放可以通过一个或多个外部反馈和电压偏差进行配置，以获得所需的响应和特性。
• 基本的OP-AMP结构是三个终端设备，不包括电源连接。OP-AMPS感测在其输入端子上施加的电压信号之间的差异，然后通过一些预定增益放大。此增益通常被称为“开环”增益。
• 通过在运放的输出端和输入端之间连接一个电阻或无功组件来闭合开环，大大降低并控制了这个开环增益。
• 一个理想的OP-AMP具有无限的开环增益，无限输入阻抗，零输出阻抗，无限带宽，无限的转换速率和零偏移。
• 实际的OP-AMP展示高开环增益，高输入阻抗和低输出阻抗。
• 由于它们的多功能使用运算放大器与电阻器和电容器一起使用，以构建功能电路，例如反相，非反相，电压跟随，求和，减去，积分和差分型放大器。